เม็ดเลือดแดงประกอบด้วยฮีโมโกลบินซึ่งเป็น complex molecule ที่มี heme เป็นส่วนประกอบให้อะตอมของธาตุเหล็กจับกับออกซิเจนเพื่อส่งไปทั่วร่างกาย โดยออกซิเจนสามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเม็ดเลือดแดงได้อย่างอิสระ นอกจากนี้แล้ว ฮีโมโกลบิน ยังจับกับของเสียที่เป็นคาร์บอนมอนออกไซด์บางส่วนกลับมาจากเนื้อเยื่อได้อีกด้วย (ในมนุษย์พบว่าออกซิเจนน้อยกว่า 2% และคาร์บอนไดออกไซด์เกือบทั้งหมด อยู่ในพลาสมา) สารที่ใกล้เคียงกันอย่าง myoglobin ทำหน้าที่เป็นที่เก็บออกซิเจนในเซลล์กล้ามเนื้อ

สีแดงของเลือดมาจากเม็ดเลือดแดง และสีแดงของเม็ดเลือดแดงมาจากหมู่ heme ของ ฮีโมโกลบิน โดยที่พลาสมาเปล่าๆ นั้นมีสีน้ำตาลอ่อน อย่างไรก็ดี สีของเม็ดเลือดแดงอาจเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับสถานะของ ฮีโมโกลบิน คือ เมื่อจับกับออกซิเจนจะได้ oxyhemoglobin ซึ่งมีสีแดง และเมื่อไม่จับกับออกซิเจนจะได้ deoxyhemoglobin ซึ่งมีสีคล้ำ ซึ่งเมื่อมองผ่านเส้นเลือดจะเห็นมีสีเขียวหรือน้ำเงิน เครื่องมือที่เรียกว่า pulse oxymetry ใช้ข้อมูลนี้ในการวัดปริมาณความเข้มข้นของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงจากการเปลี่ยนแปลงของสี ซึ่งมีข้อดีคือสามารถวัดปริมาณความเข้มข้นของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงได้โดยไม่ต้องทำการเจาะเส้นเลือด